CN113327715B - 一种铝合金超导电电缆及其制备方法 - Google Patents

一种铝合金超导电电缆及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金超导电电缆及其制备方法，属于新材料技术领域。该电缆包括由多股铝合金导线绞合的导芯和包裹所述导芯的绝缘层，所述铝合金导线中，包括铁元素、铜元素、镁元素、镧元素和铈元素和不可避免的杂质；以重量百分比计，所述铁元素的含量为0.50‑1.50％，铜元素的含量为0.20‑0.80％，镁元素的含量为0.20‑0.70％，镧元素的含量为0.01‑0.03％，铈元素的含量为0.20‑0.50％，硼元素的含量为0.01‑0.02％，硅元素和钒元素的总含量小于0.05％。本发明的铝合金超导电电缆，包括由多股铝合金导线绞合的导芯和包裹所述导芯的绝缘层，所述铝合金导线中，包括镧元素和铈元素两种稀土元素，添加后显著提高了铝合金的导电和强度性能。

Description

一种铝合金超导电电缆及其制备方法
技术领域
本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种铝合金超导电电缆及其制备方法。
背景技术
随着科技的发展，电线电缆的发展进入了新时代，对导体良好的导电性能要求日益突出。与铜导线相比，铝导线价格便宜，但是性能较差。铝合金称为铝基导线的研究热点。
稀土元素在材料化工领域广泛应用，稀土元素的原子半径为0.1704-0.204nm，大于铝原子的半径0.143nm，据报道，部分稀土元素添加到铝合金中能提高铝的导电性。但是不同的稀土元素和含量以及铝合金中的杂质会显著影响稀土元素提高铝合金的导电性的能力。
发明内容
本发明的研究人员在对稀土元素影响铝合金的导电性研究中，发现在包括铁元素、铜元素、镁元素、镧元素和铈元素和不可避免的杂质的铝合金导体中，制备时镧元素和铈元素的添加顺序和比例显著影响得到的铝合金导线的导电性，本发明即是基于此发现。
本发明的第一方面在于公开一种铝合金超导电电缆，包括由多股铝合金导线绞合的导芯和包裹所述导芯的绝缘层，所述铝合金导线中，包括铁元素、铜元素、镁元素、镧元素和铈元素和不可避免的杂质；
以重量百分比计，所述铁元素的含量为0.50-1.50%，铜元素的含量为0.20-0.80%，镁元素的含量为0.20-0.70%，镧元素的含量为0.01-0.03%，铈元素的含量为0.20-0.50%，硼元素的含量为0.01-0.02%，硅元素和钒元素的总含量小于0.05%。
在本发明的一些优选的实施方式中，镧元素和铈元素的含量的重量比为1：（2-5）。
在本发明的一些优选的实施方式中，硅元素的含量小于0.01wt％，钒元素的含量小于0.02wt％。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述铝合金导线中，包括铁元素、铜元素、镁元素、镧元素和铈元素和不可避免的杂质；
以重量百分比计，铁元素的含量为1.00%，铜元素的含量为0.50%，镁元素的含量为0.25%，镧元素的含量为0.10%，铈元素的含量为0.30%，硼元素的含量为0.10%，硅元素的含量小于0.01wt％，钒元素的含量小于0.02wt％。
本发明的第二方面在于公开第一方面所述的电缆的制备方法，包括铝原料和铁、铜、镁、硼元素原料融化混合后，先与镧元素原料融化混合，再与铈元素原料融化混合的步骤。
本发明的研究人员发现，在各组分含量已知的情况下，先添加镧元素原料后添加铈元素原料，与先添加铈元素原料后添加镧元素原料相比，得到的铝合金导线的导电性显著提高。这可能是因为铈原子和镧原子的直径差异影响了铝液合金生成晶粒的过程。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述铝原料和铁、铜、镁、硼元素原料融化混合后，分批与所述镧元素原料和铈元素原料融化混合。
除了镧元素和铈元素的添加顺序，同时还发现，以镧元素和铈元素不同比例分两次加入镧元素和铈元素，也会显著影响得到的铝合金导线的导电性。
在本发明的一些实施方式中，包括以下步骤：
S11，铝原料和铁、铜、镁、硼元素原料，融化；
S12，依次加入部分的镧元素和铈元素原料，混合，得到铝合金混合液；
S13，S12得到的所述铝合金混合液，冷却，得到铝合金导体；
S14，S13得到的所述铝合金导体热处理拉拔，得到铝合金导线；
S15，S14得到的所述铝合金导线多股绞合，包裹绝缘层，得到所述铝合金超导电电缆。
在本发明的一些实施方式中，以重量百分比计，S12中，添加的镧元素重量为S12、S13添加镧元素总重量的50-90%，S12中，添加的铈元素重量为S12、S13添加铈元素总重量的10-40%。
在本发明的一些优选的实施方式中，以重量百分比计，S12中，添加的镧元素重量为S12、S13添加镧元素总重量的75-90%，S12中，添加的铈元素重量为S12、S13添加铈元素总重量的10-25%。
在本发明的一些实施方式中，S11中，所述铝原料在700-800℃加热炉中融化，S15中，所述热处理拉拔得到1-5mm的铝合金导线。
本发明的有益技术效果是：
（1）本发明的铝合金超导电电缆，包括由多股铝合金导线绞合的导芯和包裹所述导芯的绝缘层，所述铝合金导线中，包括镧元素和铈元素两种稀土元素，添加后显著提高了铝合金的导电和强度性能；
（2）本发明的铝合金超导电电缆制备中，先添加镧元素原料后添加铈元素原料，与先添加铈元素原料后添加镧元素原料相比，得到的铝合金导线的导电性显著提高。
（3）本发明的铝合金超导电电缆制备中，除了镧元素和铈元素的添加顺序，同时还发现，以镧元素和铈元素不同比例分两次加入镧元素和铈元素，也会显著影响得到的铝合金导线的导电性。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
下述实施例和对比例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。各元素的含量为重量百分比。所述铁、铜、镁、硼、镧、铈元素的原料可以为不含铝的化合物，也可以为含铝的合金。步骤（4）和（5）的方法为常规方法，不做限定，并不影响镧元素和铈元素的添加顺序和以镧元素和铈元素不同比例分两次的技术效果。
以下实施例和对比例中，除非特别指出，为组分、含量、操作步骤和参数相同的平行试验。
实施例1
一种铝合金超导电电缆制备方法：
（1）铝原料在750℃加热炉中融化，依次加入铁、铜、镁、硼元素原料，混合均匀，得到包括铁、铜、镁、硼的铝合金液；
（2）依次添加部分镧元素和铈元素原料，混合均匀；
（3）依次添加剩余的镧元素和铈元素原料，混合均匀，得到铝合金混合液；
（4）浇铸轧制，冷却；
（5）热处理拉拔得到3mm的铝合金导线，多股绞合，包裹绝缘层，得到所述铝合金超导电电缆。
得到的铝合金导线中，铁元素的含量为1.00%，铜元素的含量为0.50%，镁元素的含量为0.25%，镧元素的含量为0.10%，铈元素的含量为0.30%，硼元素的含量为0.10%，硅元素的含量小于0.01wt％，钒元素的含量小于0.02wt％，余量为铝。
（2）中添加的镧元素重量为镧元素总重量的75%，（2）中添加的铈元素重量为铈元素总重量的25%；（3）中添加的镧元素重量为镧元素总重量的25%，（3）中添加的铈元素重量为铈元素总重量的75%。
（5）得到的3mm的铝合金导线的导电率为74.3％IACS，抗拉强度为217MPa。
实施例2
一种铝合金超导电电缆制备方法：
（1）铝原料在750℃加热炉中融化，依次加入铁、铜、镁、硼元素原料，混合均匀，得到包括铁、铜、镁、硼的铝合金液；
（2）依次添加部分镧元素和铈元素原料，混合均匀；
（3）依次添加剩余的镧元素和铈元素原料，混合均匀，得到铝合金混合液；
（4）浇铸轧制，冷却；
（5）热处理拉拔得到3mm的铝合金导线，多股绞合，包裹绝缘层，得到所述铝合金超导电电缆。
得到的铝合金导线中，铁元素的含量为1.00%，铜元素的含量为0.50%，镁元素的含量为0.25%，镧元素的含量为0.10%，铈元素的含量为0.30%，硼元素的含量为0.10%，硅元素的含量小于0.01wt％，钒元素的含量小于0.02wt％，余量为铝。
（2）中添加的镧元素重量为镧元素总重量的80%，（2）中添加的铈元素重量为铈元素总重量的20%；（3）中添加的镧元素重量为镧元素总重量的20%，（3）中添加的铈元素重量为铈元素总重量的80%。
（5）得到的3mm的铝合金导线的导电率为75.6％IACS，抗拉强度为220MPa，与实施例1相比，均没有显著差异，P＞0.05。
实施例3
一种铝合金超导电电缆制备方法：
（1）铝原料在750℃加热炉中融化，依次加入铁、铜、镁、硼元素原料，混合均匀，得到包括铁、铜、镁、硼的铝合金液；
（2）依次添加部分镧元素和铈元素原料，混合均匀；
（3）依次添加剩余的镧元素和铈元素原料，混合均匀，得到铝合金混合液；
（4）浇铸轧制，冷却；
（5）热处理拉拔得到3mm的铝合金导线，多股绞合，包裹绝缘层，得到所述铝合金超导电电缆。
得到的铝合金导线中，铁元素的含量为1.00%，铜元素的含量为0.50%，镁元素的含量为0.25%，镧元素的含量为0.10%，铈元素的含量为0.30%，硼元素的含量为0.10%，硅元素的含量小于0.01wt％，钒元素的含量小于0.02wt％，余量为铝。
（2）中添加的镧元素重量为镧元素总重量的90%，（2）中添加的铈元素重量为铈元素总重量的10%；（3）中添加的镧元素重量为镧元素总重量的10%，（3）中添加的铈元素重量为铈元素总重量的90%。
（5）得到的3mm的铝合金导线的导电率为77.1％IACS，抗拉强度为232MPa，与实施例2相比，差异显著，P＜0.05。
实施例4
一种铝合金超导电电缆制备方法：
（1）铝原料在750℃加热炉中融化，依次加入铁、铜、镁、硼元素原料，混合均匀，得到包括铁、铜、镁、硼的铝合金液；
（2）依次添加部分镧元素和铈元素原料，混合均匀；
（3）依次添加剩余的镧元素和铈元素原料，混合均匀，得到铝合金混合液；
（4）浇铸轧制，冷却；
（5）热处理拉拔得到3mm的铝合金导线，多股绞合，包裹绝缘层，得到所述铝合金超导电电缆。
得到的铝合金导线中，铁元素的含量为1.00%，铜元素的含量为0.50%，镁元素的含量为0.25%，镧元素的含量为0.10%，铈元素的含量为0.30%，硼元素的含量为0.10%，硅元素的含量小于0.01wt％，钒元素的含量小于0.02wt％，余量为铝。
（2）中添加的镧元素重量为镧元素总重量的50%，（2）中添加的铈元素重量为铈元素总重量的40%；（3）中添加的镧元素重量为镧元素总重量的50%，（3）中添加的铈元素重量为铈元素总重量的60%。
（5）得到的3mm的铝合金导线的导电率为73.0％IACS，抗拉强度为213MPa，，与实施例1相比，差异显著，P＜0.05。
实施例5
一种铝合金超导电电缆制备方法，与实施例1的区别在于，S11中，所述加热炉通过金属电阻丝加热，通过以下PID控制算法升温至目标温度：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
其中，Δu（c）对应两次测试温度时间间隔内温度的变化量；Kc为常数，12-15；f（C）为第C次采样时偏差，f（C-1）为第C-1次采样时偏差，f（C-2）为第C-2次采样时偏差；TI 为积分时间，1-1.5min；TD 为微分时间，1.2-2 min；TS 为采样周期，1-1.5s。
本实施例的加热炉控制算法，可以快速的到达目标温度，减少了升温过程中的温度剧烈变化，保持了温度的平稳、快速增长。
对比例1
一种铝合金超导电电缆制备方法：
（1）铝原料在750℃加热炉中融化，依次加入铁、铜、镁、硼元素原料，混合均匀，得到包括铁、铜、镁、硼的铝合金液；
（2）依次添加全部的镧元素和铈元素原料，混合均匀，得到铝合金混合液；
（3）浇铸轧制，冷却；
（4）热处理拉拔得到3mm的铝合金导线，多股绞合，包裹绝缘层，得到所述铝合金超导电电缆。
得到的铝合金导线中，铁元素的含量为1.00%，铜元素的含量为0.50%，镁元素的含量为0.25%，镧元素的含量为0.10%，铈元素的含量为0.30%，硼元素的含量为0.10%，硅元素的含量小于0.01wt％，钒元素的含量小于0.02wt％，余量为铝。
（4）得到的3mm的铝合金导线的导电率为68.3％IACS，抗拉强度为193MPa，与对比例2相比，差异显著，P＜0.05。
对比例2
一种铝合金超导电电缆制备方法：
（1）铝原料在750℃加热炉中融化，依次加入铁、铜、镁、硅元素原料，混合均匀，得到包括铁、铜、镁的铝合金液；
（2）依次添加部分镧元素和铈元素原料，混合均匀；
（3）依次添加剩余的镧元素和铈元素原料，混合均匀，得到铝合金混合液；
（4）浇铸轧制，冷却；
（5）热处理拉拔得到3mm的铝合金导线，多股绞合，包裹绝缘层，得到所述铝合金超导电电缆。
得到的铝合金导线中，铁元素的含量为1.00%，铜元素的含量为0.50%，镁元素的含量为0.25%，镧元素的含量为0.10%，铈元素的含量为0.30%，硼元素的含量小于0.01%，硅元素的含量为0.10wt％，钒元素的含量小于0.02wt％，余量为铝。
（2）中添加的镧元素重量为镧元素总重量的75%，（2）中添加的铈元素重量为铈元素总重量的25%；（3）中添加的镧元素重量为镧元素总重量的25%，（3）中添加的铈元素重量为铈元素总重量的75%。
（5）得到的3mm的铝合金导线的导电率为71.5％IACS，抗拉强度为204MPa，与实施例4相比，差异显著，P＜0.05。
对比例3
一种铝合金超导电电缆制备方法：
（1）铝原料在750℃加热炉中融化，依次加入铁、铜、镁、硼元素原料，混合均匀，得到包括铁、铜、镁、硼的铝合金液；
（2）依次添加部分铈元素和镧元素原料，混合均匀；
（3）依次添加剩余的铈元素和镧元素原料，混合均匀，得到铝合金混合液；
（4）浇铸轧制，冷却；
（5）热处理拉拔得到3mm的铝合金导线，多股绞合，包裹绝缘层，得到所述铝合金超导电电缆。
得到的铝合金导线中，铁元素的含量为1.00%，铜元素的含量为0.50%，镁元素的含量为0.25%，镧元素的含量为0.10%，铈元素的含量为0.30%，硼元素的含量为0.10%，硅元素的含量小于0.01wt％，钒元素的含量小于0.02wt％，余量为铝。
（2）中添加的镧元素重量为镧元素总重量的75%，（2）中添加的铈元素重量为铈元素总重量的25%；（3）中添加的镧元素重量为镧元素总重量的25%，（3）中添加的铈元素重量为铈元素总重量的75%。
（5）得到的3mm的铝合金导线的导电率为70.3％IACS，抗拉强度为207MPa，与实施例,1相比，差异显著，P＜0.05。
以上对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种铝合金超导电电缆的制备方法，用于制备铝合金超导电电缆；所述铝合金超导电电缆包括：由多股铝合金导线绞合的导芯和包裹所述导芯的绝缘层，所述铝合金导线中，包括铁元素、铜元素、镁元素、镧元素和铈元素和不可避免的杂质；
以重量百分比计，所述铁元素的含量为0.50-1.50%，铜元素的含量为0.20-0.80%，镁元素的含量为0.20-0.70%，镧元素的含量为0.01-0.03%，铈元素的含量为0.20-0.50%，硼元素的含量为0.01-0.02%，硅元素和钒元素的总含量小于0.05%；其特征在于，包括以下步骤：
S11，铝原料和铁、铜、镁、硼元素原料，融化；
S12，依次加入部分的镧元素和铈元素原料，混合，得到铝合金混合液；
S13，S12得到的所述铝合金混合液，冷却，得到铝合金导体；
S14，S13得到的所述铝合金导体热处理拉拔，得到铝合金导线；
S15，S14得到的所述铝合金导线多股绞合，包裹绝缘层，得到所述铝合金超导电电缆；
以重量百分比计，S12中，添加的镧元素重量为S12、S13添加镧元素总重量的50-90%，S12中，添加的铈元素重量为S12、S13添加铈元素总重量的10-40%。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以重量百分比计，S12中，添加的镧元素重量为S12、S13添加镧元素总重量的75-90%，S12中，添加的铈元素重量为S12、S13添加铈元素总重量的10-25%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S11中，所述铝原料在700-800℃加热炉中融化，S15中，所述热处理拉拔得到1-5mm的铝合金导线。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，S11中，所述加热炉通过金属电阻丝加热，通过以下PID控制算法升温至目标温度：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，Δu（c）对应两次测试温度时间间隔内温度的变化量；Kc为常数，12-15；f（C）为第C次采样时偏差，f（C-1）为第C-1次采样时偏差，f（C-2）为第C-2次采样时偏差；TI 为积分时间，1-1.5min；TD 为微分时间，1.2-2 min；TS 为采样周期，1-1.5s。
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